富水帶引水隧洞工程超前固結注漿技術漿液參數確定試驗研究

曾哲哨 石宇雷 宗祥智 段朝熙 普學兵

（中鐵二局第五工程有限公司，四川 成都 610091）

0 引言

富水隧洞建設過程對水害問題的治理主要分為“排水”和“堵水”，其中“排水”措施包括打泄水孔、設置環向盲管等，而“堵水”措施則以超前注漿為主[1-3]。針對引水隧洞而言，采用大量的泄水孔進行引排會對周邊地下水造成影響[4-6]，不符合水利設計理念。因此，引水隧洞中涌水現象防治措施仍以超前注漿為主。

影響注漿效果的因素較多，漿液性能是其中一個重要原因[7-8]。漿液的流動性、析水性和抗壓強度等對注漿效果均有不同程度的影響，尤其在富水破碎帶地段存在水壓力高、裂隙多等特征，如何確保超前注漿封堵效果是工程中的一大難點[9-11]。

對于廣泛應用的水泥漿和水玻璃漿液，其注漿效果與漿液配比息息相關。因此，本文以云南省滇中引水工程楚雄段施工4 標大轉彎隧洞為依托工程，通過試驗揭示水泥漿液水灰比以及水玻璃濃度對漿液的堵水效果的影響，繼而提出適宜現場超前注漿方案以及注漿參數，并成功用于大轉彎隧洞施工。

1 工程概況

1.1 工程地質及涌水情況

大轉彎隧洞穿越的地層巖性主要包括泥巖、粉砂質泥巖、泥灰巖、泥質粉砂巖及砂巖等，其中軟巖段累計長度約13.799km，約占隧洞全長56.4%。該段隧洞前期勘測揭露28 條Ⅱ級、Ⅲ級斷層，其中斷層寬度≥5.0m 的Ⅱ級4 條，斷層寬度在0.5～5m 之間的Ⅲ級斷層24 條。中段發育1 條規模較大的近東西向斷層，與隧洞走向小角度相交。隧洞巖層主要裂隙為層面裂隙，由于褶皺、斷層發育，有2個傾向層面及斷層帶伴生陡傾裂隙發育。總體圍巖穩定性較差～差，隧洞圍巖穩定問題突出。

2022年2月14日大轉彎隧洞1#支洞上游側開挖至CX55+969.114，掌子面圍巖主要由碎裂巖、片狀巖組成，沿結構面滲水嚴重（如圖1所示）。

圖1 掌子面涌水照片

圖2 三維地震波速圖

圖3 超前探孔涌水照片

1.2 超前地質預報

針對掌子面涌水情況，項目部對掌子面進行了超前地質預報，對前方圍巖及富水情況進行探測，以便于后續指導施工。

通過TSP 進行探測顯示前方圍巖Vp變化幅度較大，圍巖中節理、裂隙較發育，圍巖為以較破碎為主，圍巖中基巖裂隙水較發育，圍巖主要以Ⅴ類為主。超前質地探孔揭露大轉彎隧洞1#質地上游側30m內掌子面圍巖主要以泥質砂巖為主，超前探孔內有大量水涌出。

2 超前注漿試驗方案

試驗在里程CX55+969.114 處開展，該處流量4～8L/min，平均7365m3/d。隧洞洞周及掌子面超前注漿孔單循環長度為30m。隧洞洞周及掌子面超前注漿對于涌水量較大、地下水壓力高洞段，純水泥漿液封堵困難時采用水泥與水玻璃漿雙液漿。為確保注漿帷幕在該工程地質中的良好堵水效果，開展試驗研究水泥漿液水灰比以及水玻璃濃度對涌水量的影響。

2.1 試驗材料

試驗對水泥漿液和水泥-水玻璃雙液漿兩種漿液的堵水效果開展研究，其中水泥采用P·O42.5 水泥，其施工性能和力學性能如表1 所示。水泥-水玻璃漿液中水泥漿與水玻璃的體積比為1:0.5，水玻璃采用Ⅱ型水玻璃，其材料物理指標見表2。試驗中選取的水灰比和水玻璃濃度如3表所示。

表1 水泥原材料物理指標

表2 Ⅱ型水玻璃指標

2.2 超前注漿試驗參數

超前注漿過程可分為3 個階段進行，參照《灌漿施工技術要求》以及類似工程的實踐經驗，初步選定第一段注漿壓力0.3MPa、0.4MPa 及0.5MPa 3 個數值，第二段注漿壓力0.5MPa、0.7MPa 及1MPa 3 個數值，終壓均采用2MPa進行試驗。

根據超前地質預報，選取預測涌水量相近的6 個循環，并按表3 中設計值配制漿液分別進行超前注漿，并對注漿后隧道涌水量進行測量。

表3 試驗參數設計

3 試驗結果分析

通過對注漿后隧道涌水量進行測量，得到不同水灰比和不同水玻璃濃度下涌水量的變化規律，從而確定適宜的水灰比和水玻璃濃度。

3.1 水灰比對涌水量的影響

純水泥漿液不同水灰比對涌水量的影響曲線如圖4 所示。從圖4 可知，隨著水灰比的減小，封堵后的涌水量呈現先降低后上升的趨勢。在水灰比為1:0.8 時，此時超前注漿對地下水封堵效果最好，涌水量達到最小，僅為103m3/h。

圖4 不同純水泥漿配比對涌水量影響曲線圖

注漿過程中水灰比為1:1 時，漿液為稀漿，由于涌水量較大，注漿過后漿液被稀釋，凝結時間較短，部分漿液被水帶走，注漿效果不明顯；當采用水灰比為1:0.6時，由于漿液濃度過大，所需注漿壓力也隨之變大，導致在注漿過程中存在部分裂隙未注漿飽滿現象，未達到穩定掌子面圍巖及在圍巖周圍形成保護膜的形式，在注漿完成后掌子面涌水量減少，而當開挖過后，前面圍巖裂隙存在未注漿飽滿現象，掌子面涌水量及圍巖穩定未能得到預期效果；當采用水灰比為1:0.8 時，注漿過后掌子面圍巖裂隙相比水灰比為1:1、1:0.6時的裂隙注漿情況較為飽滿，涌水量也降低很多。

3.2 水玻璃濃度對涌水量的影響

水泥-水玻璃雙漿液不同水玻璃濃度對涌水量的影響曲線如圖5所示。從圖5中可知，隨著水玻璃濃度的增加，涌水量呈現先降低后上升的趨勢。水玻璃濃度為30°Be'，水泥-水玻璃雙漿液封堵效果最佳，此時涌水量僅為52m3/h。

圖5 不同水玻璃漿濃度對涌水量影響曲線圖

究其原因，當普通硅酸鹽水泥單液漿水灰比一定時，摻加水玻璃的波美度、模數及摻量均會影響雙液漿的凝膠時間。其凝膠時間隨水玻璃波美度的增加而減小，隨水玻璃摻量的增加而延長，且對模數較小的雙液漿凝膠時間影響顯著；水玻璃模數對雙液漿凝膠時間的影響曲線呈馬鞍形，先減小后增加。

綜上分析，確定純水泥漿最優水灰比為1:0.8，采用水泥-水玻璃雙漿液時，水泥與水玻璃體積比為1:0.5，水玻璃最優濃度為35°Be'。

4 超前帷幕注漿施工技術應用要點

4.1 注漿孔布置

隧洞洞周及掌子面超前注漿總共93孔。

上臺階第一次鉆18 個孔，孔號為1、3、17、19、22、24、38、40、41、43、57、59、61、64、76、79、87、88；第二次鉆17 個孔，孔號為2、4、18、20、21、23、37、39、42、44、58、60、62、63、75、77、78。

中臺階第一次鉆13 個孔，孔號為5、16、26、35、45、56、66、73、80、86、90、91、93；第二次鉆14 個孔，孔號為6、15、25、36、46、55、65、67、72、74、81、85、89、92。

下臺階第一次鉆15 個孔，孔號為7、9、11、13、28、30、32、34、47、49、51、53、69、71、83；第二次鉆16 個孔，孔號為8、10、12、14、27、29、31、33、48、50、52、54、68、70、82、84。

第一次注漿與第二次注漿間隔2～3h。隧洞洞周及掌子面超前注漿孔布置如圖6所示。

圖6 洞周及掌子面超前注漿灌漿孔位布置圖

圖7 現場孔位布置照片

4.2 注漿施工參數

施工中注漿壓力：第一段注漿壓力0.3MPa、0.4MPa及0.5MPa 3 個數值，第二段注漿壓力0.5MPa、0.7MPa及1MPa 3 個數值，終壓均采用2MPa。隧道普通段采用純水泥漿液，水灰比為1:0.8；隧道涌水量較大段，采用水泥-水玻璃雙漿液，水泥與水玻璃體積比為1:0.5，水玻璃濃度為35°Be'。

4.3 注漿施工流程及施工要點

4.3.1 注漿施工流程

結合超前地質預報，對于需要進行超前注漿段，應按照下述步驟進行施工：（1）施作止漿墻；（2）鉆孔，并對鉆孔質量進行驗收；（3）安裝止漿閥、調試注漿管路；（4）對原材料進行檢驗，根據壓漿試驗確定配比后進行制漿；（5）注漿，并對整體注漿效果進行檢查；（6）注漿效果合格則進行封孔，不合格，則調整注漿參數再次注漿。

4.3.2 注漿方式

注漿順序采用先注外層孔再內層孔，每層孔采用由下至上，跳孔注漿，在遇到有出水孔時，先注無水孔再有水孔。其孔口注漿示意圖如圖8所示。

圖8 孔口管注漿示意圖

超前灌漿可采用分段前進式灌漿或全孔一次壓入式注漿。當鉆孔過程中未遇見泥巖夾層、斷層構造帶或涌水時采用全孔一次壓入式注漿。當鉆孔過程中遇到泥巖夾層、斷層構造帶或涌水時，立即停止鉆孔，采取注一段鉆一段的分段前進式注漿方式，直至終孔。分段前進式注漿示意如圖9 所示。當灌漿段在最大設計壓力下，注入率不大于lL/min 后，繼續灌注30min，可結束灌漿。在水文地質條件復雜、注入量大、壓力低時，持續灌漿的時間應適當延長。

圖9 分段前進式注漿示意圖

5 結束語

本文依托云南省滇中引水工程楚雄段施工4 標大轉彎隧洞，對水泥漿水灰比以及水玻璃濃度開展試驗研究，確定了適宜該工程條件的水灰比和水玻璃濃度，主要結論如下：

（1）采取純水泥漿時，注漿效果隨著水灰比的減小呈先增加后降低的趨勢。在水灰比為1:0.8 時，超前注漿對地下水封堵效果最好，涌水量達到最小，僅為103m3/h。

（2）當水泥與水玻璃體積比為1:0.5 時，注漿效果隨著水玻璃濃度呈先增加后降低的趨勢。水玻璃濃度為30°Be'，水泥-水玻璃雙漿液封堵效果最佳，此時涌水量為52m3/h。

（3）通過工程實際應用檢驗，以上漿液配比可有效防治隧洞掌子面涌水現象。